CN110928107B - 一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3d虹膜装置 - Google Patents

一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3d虹膜装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，包括虹膜机构模块和驱动模块；虹膜机构模块包括叶片、外壳和内壳；叶片为超弹性形状记忆合金叶片；超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为叶片闭合时的曲面形状；当外壳与内壳相对旋转，驱动叶片张开时，超弹性形状记忆合金叶片旋入外壳与内壳之间，并受外壳与内壳作用而变形；当外壳与内壳相对旋转，驱动叶片闭合时，超弹性形状记忆合金叶片从外壳与内壳之间旋出，恢复自由形状。本发明使用超弹性形状记忆合金制造叶片，叶片可以发生变形，克服了传统3D球面虹膜外壳头部需要设计成球面的缺点，因此虹膜装置可以设计为直圆筒，头部口径增大。

Description

一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置
技术领域
本发明涉及一种机械虹膜装置，具体是一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置。
背景技术
虹膜机构有2D(平面)和3D(球面)两种。平面虹膜机构最常见的应用就是相机光圈，这种光圈是由多个相互重叠的弧形薄金属叶片组成的，通过叶片的离合改变中心圆形孔径的大小，弧形薄金属叶片可以从5片到18片不等，叶片越多，孔径越近圆形。3D虹膜机构为了让弧形曲面叶片顺利进出，通常将外壳头部设计成与叶片相同曲率，大多数为球形。球面虹膜机构是指叶片在一个球面上，叶片伸出来后构成一个球面。3D虹膜有很多潜在应用，如可作为机载探测装置的隐藏机构，导弹尾喷口张开闭合机构等。
由于3D球面虹膜的外壳头部通常为与叶片曲率相同的球形，为了让弧形曲面叶片顺利进出，导致其头部的口径在叶片打开状态下比整体结构直径要小，无法实现头部口径与机构整体直径相同。而事实上，在机构整体直径确定的情况下，我们并不希望浪费这样一个结构尺寸，所以希望尽量增大虹膜装置头部口径，因此，设计一种形式简单的大头部口径3D虹膜机构具有重要意义。
发明内容
为了克服现有虹膜机构头部开口口径小的问题，本发明设计了一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置。本发明通过使用超弹性形状记忆合金制造虹膜叶片，叶片形状可以发生改变，当叶片闭合时，叶片与虹膜外壳贴合，在叶片被旋出后，由于叶片具有超弹性，恢复为预设曲面形状。本发明使用超弹性形状记忆合金制造叶片，叶片可以发生变形，克服了传统3D球面虹膜外壳头部需要设计成球面的缺点，因此虹膜装置可以设计为直圆筒，头部口径增大。
本发明的技术方案为：
所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，包括虹膜机构模块和驱动模块；所述虹膜机构模块包括叶片、外壳和内壳；所述外壳固定在需要虹膜装置保护的设备上；所述外壳与所述内壳同轴布置，能够在驱动模块作用下相对旋转；所述叶片处于外壳与内壳之间，并与外壳及内壳连接，当外壳与内壳相对旋转时，所述叶片能够张开或闭合；
其特征在于：
所述叶片为超弹性形状记忆合金叶片；所述超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为叶片闭合时的曲面形状；当外壳与内壳相对旋转，驱动叶片张开时，超弹性形状记忆合金叶片旋入外壳与内壳之间，并受外壳与内壳作用而变形；当外壳与内壳相对旋转，驱动叶片闭合时，超弹性形状记忆合金叶片从外壳与内壳之间旋出，恢复自由形状。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述外壳和内壳均为圆柱直筒结构。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述叶片上具有圆孔和斜槽孔；叶片圆孔与内壳上的圆柱短棒配合，使叶片可以绕内壳上的圆柱短棒进行旋转；叶片斜槽孔与外壳上的圆柱短棒配合，使叶片可以沿外壳上的圆柱短棒滑动，从而实现叶片张开或闭合。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述驱动模块包括形状记忆合金驱动板；所述形状记忆合金驱动板中包括弧形印制板、加热收缩的形状记忆合金丝和弧形滑动板；
所述加热收缩的形状记忆合金丝布置在所述弧形印制板上，并能够受弧形印制板控制通电或断电；形状记忆合金丝一端固定在弧形印制板上，另一端连接所述弧形滑动板；弧形滑动板与弧形印制板之间采用能够相对滑动的方式配合，并通过第一弹簧连接；当形状记忆合金丝通电加热收缩时，能够拉动弧形滑动板与弧形印制板相对滑动，当形状记忆合金丝断电后，第一弹簧能够拉动弧形滑动板与弧形印制板相反方向相对滑动；
所述弧形印制板固定在所述外壳内表面或所述内壳外表面，所述弧形滑动板相应与所述内壳外表面或所述外壳内表面固定连接，当弧形滑动板与弧形印制板相对滑动时，能够驱动外壳与内壳相对旋转。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述驱动模块还包括第二弹簧，第二弹簧处于外壳与内壳之间，两端与外壳及内壳分别连接；所述第二弹簧与所述第一弹簧的运动趋势相同。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述弧形印制板上布置有多个螺栓型轴承，所述螺栓型轴承作为拐角支撑供所述形状记忆合金丝在弧形印制板表面缠绕，使形状记忆合金丝的长度满足其加热收缩后的长度变化能够提供所述外壳与所述内壳相对旋转所需的位移。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：弧形滑动板与弧形印制板之间采用槽孔与定位螺栓配合的滑动连接方式。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述弧形印制板上具有电源管理模块；所述电源管理模块将输入的电压转换为形状记忆合金丝的电源输入，用于加热形状记忆合金丝，驱动叶片运动；所述电源管理模块根据给定的信号，控制形状记忆合金丝的通断电。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述电源管理模块能够通过改变形状记忆合金丝的输入电流，改变外壳与内壳的相对旋转速度。
进一步的优选方案，所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述外壳与所述内壳底部通过轴承配合。
有益效果
本发明使用超弹性形状记忆合金的叶片，叶片可变形，通过内外壳的相对旋转，可以实现叶片张开闭合。由于超弹性形状记忆合金叶片可以变形，可以将虹膜外壳设计成直圆筒形，与传统球面虹膜相比，虹膜口径增大。本发明提出的旋转式3D虹膜机构适用于对虹膜口径有要求的各类应用。
此外，优选方案中，采用形状记忆合金丝驱动实现机械虹膜机构叶片张开闭合功能，避免了使用电机驱动方式存在的结构复杂、重量相对较大、控制可靠性低的问题，适用于对重量、可靠性要求高的各类航空航天应用。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的驱动模块结构示意图。
图2是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的结构示意图。
图3是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的闭合示意图。
图4是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的半张开内部示意图。
图5是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的半张开示意图。
图6是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的完全张开内部示意图。
图7是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的完全张开示意图。
图8是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的超弹性形状记忆合金叶片形状变化示意图。
图9是本发明一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置的超弹性形状记忆合金叶片的应力应变曲线示意图。
图中标号：1为弧形PCB板；2为螺栓型轴承；3为形状记忆合金丝；4为电源接口；5为电源管理模块；6为第一螺栓；7为第二螺栓；8为第一弹簧；9为滑动板；10为第三螺栓；11为第四螺栓；12为超弹性形状记忆合金叶片；13为虹膜内壳；14为驱动模块；15为轴承；16为第二弹簧；17为虹膜外壳。
具体实施方式
本发明目的提供一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，使用超弹性形状记忆合金制造虹膜叶片，叶片形状可以发生改变，当叶片闭合时，叶片与虹膜外壳贴合，在叶片被旋出后，由于叶片具有超弹性，恢复为预设曲面形状，克服了传统3D球面虹膜外壳头部需要设计成球面的缺点，使虹膜装置可以设计为直圆筒，头部口径增大。
该机械虹膜装置包括以下特征：
特征1：旋转式机械3D虹膜装置包含超弹性形状记忆合金叶片，虹膜外壳，虹膜内壳。
特征2：超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为预定曲面，可以根据需要选取多片(5-18片)，这样一组超弹性形状记忆合金叶片可以组成一个圆周曲面；超弹性形状记忆合金叶片上有一个孔和一个槽，可以分别与虹膜内外壳固定。
特征3：虹膜外壳为直圆筒结构，内侧预留圆柱短棒。内壳上有固定超弹性形状记忆合金叶片的圆柱短棒，叶片可以绕着该圆柱短棒转动。
特征4：虹膜内壳处于在外壳内部，内壳外壳之间是超弹性形状记忆合金叶片。内壳固定在外壳的轨道上，可以与外壳发生相对转动。内壳上的圆柱短棒用来固定超弹性形状记忆合金叶片，在内壳与外壳发生相对转动时，带动超弹性形状记忆合金叶片转动，实现超弹性形状记忆合金叶片的旋入旋出。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中：
虹膜外壳、内壳具有较好的刚度，可以保证除超弹性形状记忆合金叶片外的整体结构不会发生变形。
超弹性形状记忆合金叶片可在有限变形范围内是可恢复的，从而可以实现超弹性形状记忆合金叶片的张开和闭合。
超弹性形状记忆合金叶片可以在边缘相互重叠，可以使虹膜结构有良好的封闭性。
虹膜外壳和虹膜内壳的头部口径可以是直圆筒，也可以缩小。
虹膜外壳和虹膜内壳上的圆柱短棒也可以用螺栓来代替。
此外，本实施例中还优选了采用形状记忆合金丝构成的驱动装置。
如前所述虹膜机构的张开和闭合通常是通过旋转机构改变叶片距离圆形中心的距离实现的。传统的方式通过电机驱动旋转机构驱动虹膜机构张开闭合功能。这种方式采用电机作为驱动机构，在地面应用等常规领域中是可以满足要求的，但在航空航天，尤其是在卫星或深空探测器中应用时，这种常规的驱动机构会有以下几个问题：一是电机重量相对较重，在航空航天这种每一克质量都要非常宝贵的应用领域中，需要采用新的结构重量轻的驱动机构；二是电机的驱动控制较为复杂，在空间环境中容易受到空间环境带电粒子的影响，而降低电机驱动的可靠性，所以需要采用控制环节简单的驱动机构。
本实施例中采用形状记忆合金丝构成的驱动装置，可以输出一个长行程的驱动力，利用该驱动力驱动虹膜机构旋转，实现虹膜张开闭合功能，结构简单，重量轻，适合于对可靠性和重量要求高的航空航天应用。
参照图1～7，本实施例中的一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置包括虹膜外壳17，所述虹膜外壳17内部设置有超弹性形状记忆合金叶片12、第二弹簧16、驱动模块14、轴承15。
所述超弹性形状记忆合金叶片12设置的圆孔与虹膜内壳13上的圆柱短棒配合，使超弹性形状记忆合金叶片12可以绕虹膜内壳13上的圆柱短棒进行旋转；所述超弹性形状记忆合金叶片12设置的斜槽孔与虹膜外壳17上的圆柱短棒配合，使超弹性形状记忆合金叶片12可以沿虹膜外壳17上的圆柱短棒滑动。
所述驱动模块14包括有弧形PCB板1；所述弧形PCB板1四角通过第一螺栓6与虹膜外壳17固定连接；所述弧形PCB板上装有螺栓型轴承2，形状记忆合金丝3，电源接口4，电源管理模块5，第一螺栓6，第二螺栓7，第一弹簧8，滑动板9，第三螺栓10，第四螺栓11。所述形状记忆合金丝3右端连接弧形PCB板1，另一端连接滑动板9；所述形状记忆合金丝3绕S型由螺栓型轴承2作为拐角支撑。所述弧形PCB板1的供电由电源接口4提供，电源管理模块5负责控制电流和信号。所述滑动板9设置由两个共线的槽孔，与第三螺栓10进行配合，使滑动板9可以相对弧形PCB板1做周向运动；所述滑动板9上装有第一弹簧8和第四螺栓11；所述第一弹簧8一端连接滑动板9另一端连接第二螺栓7；所述第四螺栓11与虹膜内壳13连接。
所述虹膜内壳13下侧有环形槽，与轴承15内圈固定连接，轴承15外圈与虹膜外壳17固定连接，虹膜内壳13仅可以相对虹膜外壳17周向运动；所述叶片12的斜槽孔、圆孔分别和虹膜外壳17上的圆柱短棒、虹膜内壳13上的圆柱短棒配合，虹膜内壳13仅可以相对虹膜外壳17周向运动，使叶片12可以绕虹膜内壳13的圆柱短棒进行圆周运动；所述第二弹簧16上端与虹膜外壳17固定连接，下端与虹膜内壳固定连接。
参照图8～9，本实施例中的一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置中的超弹性形状记忆合金叶片12具有变形的能力。当然，形状记忆合金丝3也具有加热变形收缩的能力。
本装置工作时，虹膜装置处于完全闭合状态，超弹性形状记忆合金叶片12处于自由状态，电源管理模块5提供能量和控制信号，形状记忆合金丝3通电加热，由于其形状记忆效应，形状记忆合金丝3收缩，右端与弧形PCB板1固定连接，使左端产生位移，由于形状记忆合金丝3左端与滑动板9固定连接，使滑动板9相对弧形PCB板1顺时针周向运动，第一弹簧8两端分别固定于第二螺栓7、滑动板9，使第一弹簧8发生拉伸运动，存储能量，由于虹膜内壳13与滑动板9通过第四螺栓固定连接，即虹膜内壳13相对弧形PCB板1顺时针轴向运动，第二弹簧16两端分别固定于虹膜内壳13、虹膜外壳17，使第二弹簧16发生周向运动，储存能量。此时驱动模块14带动虹膜内壳13相对虹膜外壳17顺时针周向运动，由于超弹性形状记忆合金叶片12与虹膜内壳13与虹膜外壳17均有配合，使超弹性形状记忆合金叶片12绕虹膜内壳13的圆柱短棒进行逆时针圆周运动，超弹性形状记忆合金叶片12旋入虹膜外壳17内部时，超弹性形状记忆合金叶片12被虹膜外壳17和虹膜内壳13限制，超弹性形状记忆合金叶片12发生变形，运动至虹膜外壳17内部后，无法观测到超弹性形状记忆合金叶片12，此时虹膜装置处于完全张开状态。
虹膜装置处于完全张开状态后，超弹性形状记忆合金叶片12处于完全收回状态，电源管理模块5发出断电控制信号，形状记忆合金丝3断电冷却，第一弹簧8消耗能量，收缩带动滑动板9相对弧形PCB板逆时针周向运动，由于形状记忆合金丝3降温，被第一弹簧8拉回原来长度；第二弹簧16消耗能量，使虹膜内壳13相对虹膜外壳17逆时针周向运动，由于超弹性形状记忆合金叶片12与虹膜内壳13与虹膜外壳17均有配合，使超弹性形状记忆合金叶片12绕虹膜内壳13的圆柱短棒进行顺时针圆周运动，随着超弹性形状记忆合金叶片12逐渐从虹膜外壳17和虹膜内壳13中旋出，超弹性形状记忆合金叶片12由于具有超弹性，恢复为预设曲面形状，此时虹膜装置处于完全闭合状态。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，包括虹膜机构模块和驱动模块；所述虹膜机构模块包括叶片、外壳和内壳；所述外壳固定在需要虹膜装置保护的设备上；所述外壳与所述内壳同轴布置，能够在驱动模块作用下相对旋转；所述叶片处于外壳与内壳之间，并与外壳及内壳连接，当外壳与内壳相对旋转时，所述叶片能够张开或闭合；
其特征在于：
所述叶片为超弹性形状记忆合金叶片；所述超弹性形状记忆合金叶片的自由形状为叶片闭合时的曲面形状；当外壳与内壳相对旋转，驱动叶片张开时，超弹性形状记忆合金叶片旋入外壳与内壳之间，并受外壳与内壳作用而变形；当外壳与内壳相对旋转，驱动叶片闭合时，超弹性形状记忆合金叶片从外壳与内壳之间旋出，恢复自由形状；
所述驱动模块包括形状记忆合金驱动板；所述形状记忆合金驱动板中包括弧形印制板、加热收缩的形状记忆合金丝和弧形滑动板；
所述加热收缩的形状记忆合金丝布置在所述弧形印制板上，并能够受弧形印制板控制通电或断电；形状记忆合金丝一端固定在弧形印制板上，另一端连接所述弧形滑动板；弧形滑动板与弧形印制板之间采用能够相对滑动的方式配合，并通过第一弹簧连接；当形状记忆合金丝通电加热收缩时，能够拉动弧形滑动板与弧形印制板相对滑动，当形状记忆合金丝断电后，第一弹簧能够拉动弧形滑动板与弧形印制板相反方向相对滑动；
所述弧形印制板固定在所述外壳内表面或所述内壳外表面，所述弧形滑动板相应与所述内壳外表面或所述外壳内表面固定连接，当弧形滑动板与弧形印制板相对滑动时，能够驱动外壳与内壳相对旋转；
所述驱动模块还包括第二弹簧，第二弹簧处于外壳与内壳之间，两端与外壳及内壳分别连接；所述第二弹簧与所述第一弹簧的运动趋势相同。
2.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述外壳和内壳均为圆柱直筒结构。
3.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述叶片上具有圆孔和斜槽孔；叶片圆孔与内壳上的圆柱短棒配合，使叶片可以绕内壳上的圆柱短棒进行旋转；叶片斜槽孔与外壳上的圆柱短棒配合，使叶片可以沿外壳上的圆柱短棒滑动，从而实现叶片张开或闭合。
4.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述弧形印制板上布置有多个螺栓型轴承，所述螺栓型轴承作为拐角支撑供所述形状记忆合金丝在弧形印制板表面缠绕，使形状记忆合金丝的长度满足其加热收缩后的长度变化能够提供所述外壳与所述内壳相对旋转所需的位移。
5.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：弧形滑动板与弧形印制板之间采用槽孔与定位螺栓配合的滑动连接方式。
6.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述弧形印制板上具有电源管理模块；所述电源管理模块将输入的电压转换为形状记忆合金丝的电源输入，用于加热形状记忆合金丝，驱动叶片运动；所述电源管理模块根据给定的信号，控制形状记忆合金丝的通断电。
7.根据权利要求6所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述电源管理模块能够通过改变形状记忆合金丝的输入电流，改变外壳与内壳的相对旋转速度。
8.根据权利要求1所述一种基于超弹性形状记忆合金叶片的旋转式机械3D虹膜装置，其特征在于：所述外壳与所述内壳底部通过轴承配合。
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